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o f d m 无线宽带移动通信系统中信道估计和均衡技术研究 摘要 在诸多的宽带无线通信技术中，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) 无疑是最具有应用前景的技术之一。在信道的衰落特性中，对宽带无线移动业务影响最丈的 是多径衰落和多_ 许勒频移。而o f d m 不但可以通过插入循环前缀( c p ) 的方法，有效地抑j r 多 径带来的符号间干扰还可以通过对信道时变特性的合理估计，灵活地设计系统的符号长度， 减轻信道时变特性对系统性能的影响。由于0 f d m 的这些技术特点，避免了在接收机中采用 复杂的时域均衡器和自适应跟踪算法。并且，通过使用快速傅立叶变换( f f r ) ，可以保证在 相对简单的系统硬件结构下，提供可靠、稳定的通信质量。正是冈为这些优势，o f d m 技术 已经被各种无线通信标准所广泛采用。 虽然系统结构可以消除符号问干扰，o f d m 系统仍然需要精确的信道信息来进行信道均 衡，从而完全补偿多径衰落。o f d m 的信道估计和均衡技术对整个系统的性能具有决定性的 影响。本文将讨论o f d m 系统在无线宽带移动通信环境下的信道估计平信道均衡技术，紧密 结合o f 蹦技术的最新发展动向，研究各种0 f d m 系统中的各种信道估计及均衡技术。 首先，本文对经典的各种基于频域导频的信道估计和频域均衡技术进行了归纳总结。我 们将基于频域导频的信道估计算法分为频域估计算法和时域估计算法两类，对它们各自的技 术优点和缺陷进行了分析和比较。同时，对o f d m 信道估计中可能利用到的各种内插算法和 信道跟踪算法进行了归纳总结。 基于时域训练序列的0 f d m 信道估计技术近年来得到了广泛的关注。在本文中，首先对 现有的各种时域训练序列的设计和相应的信道估计算法进行了总结归纳，并在此基础上提出 了一种基于l 惦自适戍跟踪算法的信道估计方法，同其它基于时域训练序列的信道估计方法 比较，这种方法具有更高的估计精度；并且，通过对时域训练序列进行特殊的设计，这种方 法可以有效地提高系统频谱利用效率。 o f d m 最大的优势之一就是可以进行简单的频域均衡。由于引入了循环前缀，在接收 端可以通过简单的除法实现信道均衡。为了能对接收信号进行有效均衡，在大多数实际 o f d m 系统中。都假设循环前缀的长度大于信道冲击响应的长度。然而，当信道冲击响应 的长度大于循环前缀长度时，传统的o f d m 频域均衡算法不能对信道进行有效均衡。为了 解决这一问题，本文将提出两种分别基于频域导频和时域训练序列的o f d m 信道估计和均 衡算法。这两种算法都可以在超长信道环境下( 信道冲击响应长度大于循环前缀) 提供良好 的系统均衡性能，从而在一定程度上降低o f d m 系统对循环前缀的依赖性，在适当增加接 收机复杂度的前提下，提高系统的频谱利用率。 在移动通信环境中，多普勒频移将造成信道的快速衰落。当移动速度很快时，o f d w 信 号的子载波间干扰( i c i ) 就会严重影响系统的性能。在大多数实际应用中，o f d m 均衡技术 无法有效对抗i c i 产生的影响。随着o f d m 接收机移动速度加快，如何消除由于信道时变所 带来的子载波闻干扰就变得十分有意义。本文在对现有i c i 消除技术分析的基础上，提出了 一种基丁并行判决反馈的i c i 消除技术，可以有效地提高o f d m 系统在快速移动环境f 的接 收性能。但是，这种并行i c i 消除技术需要进行矩阵求逆运算，具有较大的计算复杂度，本 文在， ：行i c i 消除技术的基础上，继续提出了一种不需要矩阵求逆、结构简单的串行i c l 干扰消除技术，在保持相同i c i 消除性能的基础上，可以人人地降低实现复杂度。 近年来，以m i m o ( 多大线发射多大线接收) 为代表的多天线技术成为研究的热点。m i m o 技术和o f d m 技术相结合( m i m 0 - 0 f d m ) ，已经被认为是下一代宽带无线通信的典型技术之一。 在本文中，首先l 门纳了m i m o - o f d m 系统中各种导频的上e 交化设计方案。现有的大多数基于正 交导频的m i m o - o f d m 信道估计算法都是在频域中进行的，本文中提出了两种时域信道估计算 法f p t a ( f r e q u e n c yd o m a i np i l o tt i m ed o m a i na v e r a g e ) 和f p t c ( f r e q u e n c yd o m a i np i l o t t i m ed o m a i nc o r r e l a t i o n ) 在m i m o - o f d l 4 中的应用，这两种时域信道估计算法具有同频域 算法相同的信道估计性能，却具有更为简单的实现结构。此外，为了降低信道估计对导频个 数的要求，本文讨论了判决反馈在m i m o - o f d m 系统信道估计中的应用，提出了基于判决反馈 的m i m o - o f d m 联合信道估计一信号检测算法，可以有效地提高系统的带宽利用率，并提高系 统在移动环境下的性能。 关键词： o f d m ，m i m o 。宽带无线通信，宽带移动通信，信道估计，均衡，i c i 消除，信 号检测 s t u d yo nc l i a n n e le s t i m 姗o na n d e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e f o ro f d m b a s e dw i r e l e s sb r o a d b a n dm o b i l e c o m m n i c a t i o ns y s t e m s a b s t r a c t o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i so n eo f t h em o s tp r o m i s i n g t e c h n i q u e sf o rw i r e l e s sb r o a d b a n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t h ec h a n n e lp r o p e r t yo ff r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n ga n dd o p p l e rf r e q u e n c ys h i na u gt h eb i g g e s tc h a l l e n g et ot h eb r o a d b a n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e b ye m p l o y i n gc y c l i cp r e f i x o f d mc a ne f f e c t i v e l yd i m i n a t et h e d i s t u r b a n c ef r o mi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c ei n t r o d u c e db ym u l t i p a t hc h a n n e l b e s i d e s ，o f d mc a n c o m b a tt h et i m es e l e c t i v ef a d i n g ，w i t hf l e x i b l yd e s i g n e df r a m es t r u c t u r ea c c o r d i n gt oc h a n n e l p r o p e r t y t h a n k st ot h ef f ra l g o r i t h m o f d ma v o i d sc o m p l e xa d a p t i v ef i l t e rb a s e dt i m ed o m a i n e q u a l i z e r , a n dc a l lp r o v i d er o b u s tc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yw i t hr e l a t i v e l ys i m p l ei m p l e m e n t a t i o n c o m p l e x i t y o f d mh a sb e e nw i d e l ya d o p t e di ne x i s t i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d s a c c u r a t ec h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o ni sn e e d e di no f d ms y s t e m st op e r f o r mc h a n n e l e q u a l i z a t i o na n dc o m p e n s a t et h em u l t i - p a t hf a d i n g c h a n n e le s t i m a t i o ni sc o n s e q u e n t l yc r i t i c a lt o t h ew h o l es y s t e mp e r f o r m a n c e h it h i sd i s s e r t a t i o n ，w ew i l ld i s c u s sc h a n n e le s t i m a t i o na n d e q u a l i z a t i o nt e c h n i q u eu n d e rw i r e l e s sm o b i l ec h a n n e l ，a c c o r d i n gt od i f f e r e n tt y p e so fo f d m s y s t e m s w ew i l lp r o v i d ed e t a i l e da n a l y z e so ft h e s ec h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o ni s s u e s f i r s t ，w ed i s c u s st h ec l a s s i c a lc h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sb a s e do i lf r e q u e n c yd o m a i n i n s e r t e dp i l o t , a n dc o r r e s p o n d i n gf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z a t i o n w ec l a s s i f yt h e s e e x i s t i n g c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m si n t ot w oc a t e g o r i e s ：f r e q u e n c yd o m a i np r o c e s s i n gm e t h o d sa n d t i m ed o m a i np r o c e s s i n gm e t h o d s , a n dm a k ed e t a i l e da n a l y s i sa n dc o m p a r i s o nb e t w e e nt h e m b e s i d e s , w ed i s c u s sv a r i o u si n t e r p o l a t i o na n dc h a n n e lt r a c k i n ga l g o r i t h m sw h i c ha g ew i d e l yu s e d f o ro f d mc h a n n e | e s t i m a t i o n r e c e n t l y , t i m ed o m a i nt r a i n i n gb a s e do f d m c h a n n e le s t i m a t i o nt e c h n i q u e sr e c e i v em o r ea n d m o r ei n t e r e s t s t i m ed o m a i nt r a i n i n gs e q u e n c e sa g eu s e df o ro f d mc h a n n e le s t i m a t i o np u r p o s e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w ew i l lf n s td i s c u s ss e v e r a le x i s t i n gc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do n t i m ed o m a i nt r a i n i n gs e q u e n c e t h e n ，w ep r o p o s eal m sa d a p t i v et r a c k i n gb a s e dc h a n n e l e s t i m a t i o nm e t h o d ，w h i c hc a np r o v i d eh i g h e ra c c u r a c yt h a no t h e rt i m ed o m a i nt r a i n i n gb a s e d c h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s f u r t h e r m o r e ，w i t hs p e c i a l l yd e s i g n e dt r a i n i n gs e q u e n c e s ，t h i s m e t h o dc a np r o v i d eh i g h e rb a n d w i d t he f f i c i e n c y i nm o s to f d m s y s t e m s ，i ti sa s s u m e dt h a tc h a n n e li m p u l s e ”s p o n s ei ss h o r t e rt h a nt h ec y c l i c p r e f i x t h e ns i m p l ef r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e rc a np r o p e r l yc o m p e n s a t et h ec h a n n e l sf a d i n g h o w e v e r , w h e nt h ec h a n n e li m p u l s er e s p o n s ei sl o n g e rt h a nt h ec y c l i cp r e f i x ，t h em u l t i - p a t hw i l l i n t r o d u c eb o t hi n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ( i s da n di n t e r - c a r r i e r i n t e r f e r e n c e ( ；c d ，a n dt h e c o n v e n t i o n a lf r e q u e n c yd o m a i ne q u a l i z e rc a nn o tw o r kw e l la n y m o f e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w e p r o p o s et w oc h a n n e le s t i m a t i o n a n de q u a l i z a t i o nm e t h o d sw h i c ha r er e s p e c t i v e l yb a s e do n f i e q u e n c yd o m a i np i l o to rt i m ed o m a i nt r a i n i n gs e q u e n c e t h e s et w om e t h o d sc a np r o p e r l y e q u a l i z et h ec h a n n e lw h o i m p u l s ef u n c t i o ni sl o n g e rt h a nc y c l i cp r e f i x a n dc o n s e q u e n t l y p r o v i d eh i g h e rs p e c t r a le f f i c i e n c yw i t ht o l e r a b l ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y i nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns c e n a r i o ，d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f tw i l lc a u s ef a s tc h a n n e lv a r i a t i o n w i t ht h ei n e a s eo ft h em o b i l es p e e d ，t h ei c ii n t r o d u c eb ys u c hf a s tc h a n n e lv a r i a t i o ni s u n - n e g l e c t a b l e ，a n dt h ec o n v e n t i o n a lc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o nm e t h o d sc a nn o tp r o v i d e s a t i s f a c t o r ys y s t e mp e r f o r m a n c e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r o p o s et w oi c ie l i m i n a t i o nt e c h n i q u e s f o ro f d mm o b i l ec o m m u n i c a t i o nr e c e i v e r s b o t ho ft h e s ea l g o r i t h m sc a ni m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c ee v i d e n t l yu n d e rf a s tf a d i n gc h a n n e l s ：f i r s t l y , w ep r o p o s eo n ep a r a l l e li c ie l i m i n a t i o n a l g o r i t h m ，w h i c hn e e d sc o m p l e xm a t r i xi n v e r s ec o m p u t a t i o n f u r t h e r m o r e ，i no r d e rt oa v o i d m a t r i xi n v e r s ec o m p u t a t i o n ，w ep r o p o s ens u c c e s s i v ei n t e r f e r e n c e c a n c e l i n gb a s e dc h a n n e l e s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o na l g o r i t h m w b j c hw i l lg r e a t l yr e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ) , hr e c e n ty e a r s , m i m e o f d ms y s t e m sh a v er e c e i v e dm o r ea n dm o r ei n t e r e s t s b y e m p l o y i n gm u l t i a n t e n n at e c h n i q u e s ，o f d ms y s t e mc a np r o v i d eb e t t e rc o m m u n i c a t i o nq u a l i t yo r h i g h e rt r a n s m i te f f i c i e n c y m i m o o f d mh a sb e e nr e g a r d e da sat y p i c a lt e c h n i q u ef o rt h en e x t g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ew i l ld i s c u s sc h a n n e le s t i m a t i o n i s s u ei nm i m o - o f d ms y s t e m s w ef i r s tt a l ka b o u ts e v e r a lc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sw h i c h a r eb a s e do ns p e c i a l l yd e s i g n e dp i l o ts t r u c t u r e s t h e s ee x l s t i n gc h a m e ie s t i m a t i o nm e t h o d sa l e m o s t l yp e r f o r m e di nf r e q u e n c yd o m a i n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r o p o s et w ot i m ed o m a i n p r o c e s s e dc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s ：f p t aa n d 同y i f o rm 1 m o - o f d ms y s t e m s t h e s e t i m ed o m a i nm e t h o d sh a v es a t i s f a c t o r ye s t i m a t i o na c c u r a c ya n dr e l a t i v e l ys i m p l ec o m p l e x i t y i n a d d i t i o n , w ew i l ld i s c u s st h em i m o o f d mc h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nd e c i s i o n f e e d b a c ki n f o r m a t i o n w ep r o p o s et w oj o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o na l g o r i t h m s f o rm i m o - o f d ms y s t e m s b o t ha l g o r i t h m sh a v ei m p r o v e ds y s t e mp e f f o r m a n w i t h o u t i n c r e a s i n gt h et r a i n i n gp a y l o a d k e yw o r d s ：o f d m ，m i m o ，w i d e b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w i d e b a n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e le q u a l i z a t i o n ，i c lc a n c e l i n g ，s i g n a ld e t e c t i o n b e r b l a s t 口 d a b d b l a s t d f e d f t d t f r d v b _ t f d m f f t f i r f p f i f 1 能 f 1 1 n c m p e r l a n l c l i d f t u r l f f r i s l l m s i j f l s j c e s d m i m 0 m m s e te r f o r r a t e 英文缩略语表 接收比特错误率 b e ui a b o r a t o r i c a1 1 y e r e ds p a c e t i m e 分层宅时复用 c y c l i cp m f i x d i g i t a l a u d i ob r o a d c a s t i n g 循环前缀 欧洲数字音频广播标准 d i a g o n “b e l l l a b o l a t o r i c s l a y e r e ds p a c e h m e 对角分层窄时复用 d e c i s i o nf e e d b a c ke q u a l i z e r d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m 判决反馈均衡器 离散傅赶叶变换 离散时间傅盘叶变换 d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l欧洲数字电说地面广播标准 f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f a s tf o u r i c r t r a n s f o r m f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e 频分复用 快速傅豇叶变换 有限冲击响心滤波器 f r e q u e n c y d o m a i np i l o t f r e q u e n c y d o m a i n i n t e r p o l a t i o n 频域导频频域内插( 信道估计) 算法 f r e q u e n c y d o m a i n p i l o t t i m e d o m a i n a v e r a g e 频域导频时域平均( 信道估计) 算法 f r e q u e n c y d o m a i np i l o t t i m e d o m a i n c o r r e l a t i o n频域导频时域相关( 信道估计) 算法 h i g hp e r f o r m a n c er a d i ol o c a l a r e an e t w o r k欧洲无线局域州标准 i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e 子载波问干扰 i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m 离散傅屯叶反变换 i n f i n i t ei m p u l s er p o n i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a m f o r m i n t e r s y m b o li n t e r f e r e n c e l i n e a rm e a ns q u a r e d l o wp a s sf h t e r l e a s ts q u a r e d 无限冲击响应滤波器 快速傅盘叶反变换 符5 问十扰 线性均方误差( 自适应) 算法 低通滤波器 最小方差准则 j o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na n ds i g n a ld e t e c t i o n 联合信道估计一信号检测算法 m u l t i p l ei n p u tm u l 【i p l eo e t p u t多天线发射多天线接收 m i n i m u mm e a ns q u a r e de r r o r 最小均方误差准则 m r r c m s e p j e e p n p n r o f d m o a m s f n s i s 0 s n r s o s g r 丑l c s 兀 s v d t d s 0 叨m t j 髓 t t - d f r t b i m s t n v b l 蠕t z f m a x i m u mr e c e i v e rr a t i oc o m b i n i n g 晟丈合并比算法 m e a ns q u a r e de r r o r 均方误差 p i l o tb a s e dj o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n 基于导频的联台信道估计一均衡算法 p s e u d on o i s e p i l o tn o i s er a t i o o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g q u a d r a t u r e a m p l i t u d em o d u l a t i o n s i n g l ef r e q u e n c yn e t w o r k 伪辅机噪声 导频噪声功率比 正交频分复用 正交幅度调制 单频网 s i n g l ei n p u ts i n g l eo u t p u t 单天线发射单天线接收 s i g n a lt on o i s er a t i o s u mo f s i n u s o i d s p a c e t i m eb l o c kc o d e s p a c et i m et r e l l i sc o d n s i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i t i o n 信呼噪声功牢比 正弦波叠加法 空时分组码 空时卷积码 矩阵奇异值分解 t i m ed o m a i ns y n c h r o n i z a t i o no f d m 时域同步的o f d m t i m ed o m a i nj o i n tc h a n n e le s t i m a t i o na n de q u a l i z a t i o n 时域联合信道估计一均衡算法 t i m ed o m a i nt r a i n i n gd f t t i m ed o m a i nt r a i n i n gl m s 时域训练d f f ( 信道估计) 算法 时域训练l m s ( 信道估计) 算法 t i m e d o m a i n t r a i n i n g t i m ed o m a i n c o f f d a t i o n时域口i l 练时域相关( 信道估计) 算法 v e r t i c a lb e l ll a b o r a t o r i e sl a y e r e ds p a c ct i m e垂直分层宅时复用 z e r of o r c i n g迫零准则 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 姗躲昂卞 日期：聊6 年1 月7 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 乓倍如 j 、) 文 学位论文作者签名：指导教师签名： 日期：伽6 年月7 日日期：年 月日 l 海交通大学博f 。学位论文 2 0 0 5 年1 1 月 1 1 引言 第一章绪论 近年来，无线通信应用产品正迅速渗透到人们日常生活的各个领域，给人们的生产和生 活带来了强大的冲击力基于i n t e r n e t 的语音、视频、数据通信业务的蓬勃发展使得人们 对无线通信提出了更高的要求。现有的以语音通信为主的移动通信网络已经无法满足人们日 益提升的消费需求。新一代的移动通信网络需要为每个用户提供高达2 m b p s 的传输速率； 数字电视广播需要提供高达2 0 m b p s 的传输带宽，无线局域网广域网系统更将提供高达 1 0 0 m b p s 的接入速率。因此，大数据量无线传输业务要求在较宽的无线频带内提供稳定可靠 的无线传输质最，并尽可能地提高带宽的利用效率。 无线通信的展重要的特点就是无线信道环境。由于无线信道是一个全开放的环境，不同 的通信系统之间存在干扰。所以，频谱就成为一种不可再生的资源。如何在有限的频谱带宽 内尽可能实现高速率的数据通信成为无线通信的主要课题。另一方面，随着通信系统数据传 输率的提高，系统传输所需要的带宽也不可避免地提高，宽带无线信道的衰落特性对无线通 信系统的设计提出了新的要求。此外，新的移动通信业务要求在较高的移动速度中也能够实 现可靠的数据通信，而无线通信在高速移动中将产生多普勒频移，进而演化成信道的时变特 性。如何对抗信道的时变特性也是宽带移动通信技术中不可缺少的重要部分。 在诸多的移动通信技术中，正交频分复用( o f d m ) 无疑是最具有应用前景的技术之一。 在宽带无线信道中，数据通信的主要障碍是频率选择性衰落。对于酱通的单载波传输技术， 为了消除由频率选择性信道所造成的符号间干扰( i s l ) ，需要利用自适应均衡技术。然而， 均衡器和控制均衡器的自适应算法结构相对复杂，将增加接收机设计的难度。而o f d m 可 以简单有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰。被认为是最适用于宽带通信的传输技 术之一。自从2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 已经被各种无线通信标准所广泛采用，例如数 字音频广播( d a b ) i l 】，数字电视广播( d v b - t ) 2 1 ，无线局域网( 8 0 2 1 1 ，h i p e r l a n ) 1 3 u 4 1 ，无线广域网( 8 0 2 1 6 ) 等吼 o f d m 的另外一个优点是，信道均衡和信号检测都在频域进行根据线性系统的特性， 信道和发送信号在频域上是乘积的关系。所以，o f d m 系统可以很方便地和以m 1 m o 技术 为代表的多天线技术相结合。采用m i m o 技术，不但可以提高无线通信系统的通信质量， 还可以极大地提高无线通信系统的带宽利用率。m i m o - o f d m 技术被认为是下一代宽带无 线通信的典型技术之一 本文将根据o f d m 技术的最新发展动向，结合各种o f d m 系统，讨论o f d m 中的信 道估计和均衡技术。并在此基础上，力图对o f d m 技术特点进行深入分析研究，指导o f d m 接收机设计 3 1 2o f d m 技术的技术背景 o f d m 是一种特殊的多载波传输技术，它既可以被看作是一种调制技术，也可以被当 作一种复用技术。o f d m 通过将高速率的信息符号并行化成低速率符号。然后在多个正交 的子载波上并行地发射，可以减小宽带系统的频率选择性衰落所带来的影响；由于o f d m 各个子载波上的信号在频谱上混叠并保持相互正交，o f d m 与普通频分复用( f d m ) 相比， 具有较高的频谱利用率；通过加入循环前缀( c p ) ，有效地避免各个子载波上的符号间干扰； 并且，通过灵活选择o f d m 符号的长度，可以减少信道时变特性对o f d m 系统性能的影响； 在接收端，只需要利用简单的频域均衡器就可以完全补偿信道的衰落；通过使用快速傅立叶 算法( f f r ) ，使得o f d m 接收机的实现变得菲常简单。 o f d m 最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期。早在1 9 6 1 年，就有人提出了一种码分复_ i j 的 方案，采用止弦和余弦函数作为正交信号i 6 1 ，产生的信号已经可以和o f d m 信号类似了。 但是当时人们并没有认识到它在频率选择性信道上有什么优越性。白1 9 6 6 年，不同的文献 都提出了频谱交番的f d m 系统【7 h 9 l ，并在此基础上发展出用离散傅立叶变换( d f r ) 实现 f d m 的方案【1 0 l 。但是，由于半导体器件技术的制约，无法高效地实现d f f 算法，o f d m 仍 然无法实际应用。直到1 9 7 1 年提出了完整的o f d m 系统【l l l ，包括用快速傅立叶变换产生信 号以及在多径信道中加入保护间隔。这样，在完成f d m 的过程中，不再要求使用子载波振 荡器组以及相干解调，只需要简单基带处理就可以实现o f d m 的信号生成，推动了o f d m 的实际应用。但o f d m 仍然只是在一些高频军事系统中应用，直剑8 0 年代中期，人们才开 始对o f d m 系统在平坦及频率选择性衰落的信道下的性能进行了分析和讨论1 1 2 】，并开始将 o f d m 应用到民用广播和移动接收中【1 3 1 。o f d m 相继被各种无线通信标准所采用。例如数 字音频厂播( d a b ) ，数字电视广播( d v b - t ) ，无线局域网( 8 0 2 1 1 ，瑚p e r l a n ) ，无线 广域网( 8 0 2 1 6 ) 等。o f d m 迎来了它的第一个发展高峰。由于技术本身的优越性，以及一 些非技术性的因素( 比如专利因素等) ，o f d m 技术得到了移动通信业界的广泛认同和欢迎， 被普遍认为是宽带移动通信的最佳技术之一为了共同推动o f d m 在下一代移动通信中的 应用，一些通信厂商建立了o f d m 论坛( h t t p ：w w w o f d m - f o r u m c o m ) ，共同制定全球宽带 移动网络的o f d m 标准。不论是已经在制定中的增强型3 g 标准e 3 g ( e n h a n c e d3g ) ，还 是仅仅处在研究阶段的下一代移动通信系统b 3 g ( b e y o n d3 go r4 g ) ，都已经确定了以 o f d m 为核心的技术体系。可以预见，在不久的将来，o f d m 将在宽带无线通信领域独领 风骚l 4 上海交通大学博i 学位论文2 0 0 5 年1 1 月 1 3o f d m 技术基础 1 3 1o f d m 基本模型 o f d m 的基本原理就是把高速的数据符号流通过串并转换，分配到传输速率相对较低 的若干个子载波上面传输。由于每个子载波上的符号周期相对增加，因此可以在一定程度上 减轻由无线信道的多径时延对系统造成的影响。并且，通过快速傅立叶变换进行调制和解调， 可以大大简化系统实现的复杂度。在本节中，将简述其原理。 一个o f d m 符号包括多个经过调制的子载波的合成信号，其中每个子载波被单独调制， 在大多数应用中，调制的方式都是_ i e 交幅度调制( q a m ) 。在第n 个o f d m 周期内，如果 表示子信道的个数，r 表示o f d m 符号的周期，乃代表系统采样时钟，x ( n ，女) ( k - - 0 ，l ，v - 1 ，) 是分配给第k 个子载波的符号数据，正表示第k 个子载波的频率。则第n 个f d m 符号的第f 个采样点( ，= 0 1 a - 1 ) 可以表示为： ( 1